鄱阳湖区洪涝灾害稻田土壤养分状况与质量评价

苏 甜，刘方平*，徐 涛，吴建富，索猛利

（1.江西省灌溉试验中心站，江西 南昌 330201；2.江西农业大学，江西 南昌 330000）

我国农作物减产的主要因素是自然灾害，包括水灾和旱灾。江西省位于长江中下游地区，降雨量丰富，长江洪水倒灌现象严重，这更加剧了洪涝灾害的程度。而鄱阳湖区又是长江中下游洪涝灾害的重灾区和多发区［1］。土壤质量是土壤物理、化学及生物性质的综合反映［2］，在生态系统中起着保持各生物生产力、维持环境质量、促进动植物健康生长的能力［3］。健康的农田生态系统是保障人类可持续发展的需求之一。当前针对受洪涝灾害的林地土壤质量研究较多［4-5］，但针对洪涝灾害地区的稻田土壤质量研究报道较少，且缺乏系统性的评价，难以全面、科学地反映洪涝区域的土壤质量。因此，研究鄱阳湖区受洪涝灾害影响的农田土壤养分状况及质量，对湖区人民的生产生活具有着重要意义。

主成分分析法(PCA)是一种将多维因子纳入同一系统进行定量研究的多元统计方法，目前也被应用于土壤质量评价的研究中［6］。本文以受灾程度不同的稻田土壤为研究材料，运用PCA法将应用较多的土壤指标作为评价因子，以揭示不同区域的土壤肥力及质量状况，旨在了解洪涝灾害下的土壤健康状况，以期为土壤治理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于我国江西省鄱阳湖平原区，属中亚热带湿润季风气候区。鄱阳湖区主要包括南昌市区、南昌县、新建区、进贤县、九江市区、永修县、德安县、都昌县、湖口县、庐山市、余干县、鄱阳县等12个县市［7］。本文选取鄱阳湖区内气候、土壤和地形等自然条件及耕作制度、生产力水平等具有典型代表性的永修、南昌、进贤、余干、鄱阳5个县区作为研究区域。

1.2 研究方法

1.2.1 采集方法 2021年6月，分别从洪涝重灾区、常灾区和易灾区［8］选取5个县区的28个村庄，进行稻田土壤的采集。土壤采集按照100 m×100 m网格进行，避开路边、田埂、沟边、肥堆等特殊部位，采集0~20 cm 表层土壤样品（每个土壤样品由3个相近采样点的土壤样品组合而成）。样品采集后置于阴凉处自然风干，去除植物根系、碎石等杂质后，研磨过100目尼龙筛备用。

1.2.2 指标测定方法 土壤容重、孔隙度及持水量采用环刀法［9］测定；机械组成采用激光粒度分布仪测定；电导率（EC）使用电导率仪测定；全氮含量采用元素分析仪测定；pH值及碱解氮、有机质、速效钾、速效磷含量等测定方法参考《土壤农化分析》［10］；过氧化氢酶及酸性磷酸酶参考《土壤酶及其研究方法》［11］测定；土壤细菌及微生物量采用平板培养菌落计数法［12］测定。

1.2.3 评价方法 （1）评价指标的选择。选取pH值、田间持水量、总孔隙度、毛管孔隙度等17项物理、化学及生物指标作为本研究土壤质量评价的基本指标［13］。

（2）土壤质量综合指数的计算。为衡量各土壤指标对土壤质量的贡献程度，以主成分分析法确定单个土壤指标的权重值［14］，然后根据各指标的权重和隶属度计算不同区域的土壤质量指数。本研究中的土壤指标评价结果转化为土壤质量综合评价指数［15］。

通过主成分分析，得到各采样点的主成分得分，采用加权法计算土壤质量综合指数(Q) ，其表达式为：Q=∑WiFi。其中，Wi是各主成分的贡献率；Fi是各主成分的得分。若Q为正，则表明该区域土壤质量在平均水平之上，反之则表明其在平均水平以下。

1.3 数据处理

运用主成分分析法计算土壤质量综合指数；运用SPSS 22.0软件对各项数据进行正态分布检验和显著性分析，运用Pearson相关系数法检验各土壤指标间的相关性。

2 结果与分析

2.1 洪涝灾害地区稻田土壤基本状况

2.1.1 土壤质地 研究区土壤组成以砂粒和粉粒为主，黏粒含量不高。根据国际制土壤质地分类标准［16］及现场鉴别，研究区域主要是壤土和黏壤土，其中粉质壤土占比最大，达58.98%，各县区具体的土壤组成见图1。由图1可知，南昌县土壤黏粒和粉粒含量最高，永修县土壤砂粒含量最高；进贤县土壤黏粒含量最低，余干县土壤粉粒含量最低，南昌县土壤沙粒含量最低。由此可见，南昌县土壤黏性较大，永修县土壤偏砂性。总体上研究区采样点42.86%的土壤为红壤。

图1 研究区域土壤组成情况

2.1.2 土壤物理特性 由表1可知，研究区土壤的田间持水量在36.27%~62.61%之间，均值为49.76%。对比不同县区的土壤持水量，在同一个村庄中，地势较高的稻田中土壤持水量较低，持水量最高的采样点是鄱阳县的车门村。各采样点的土壤毛管孔隙度、总孔隙度分别介于39.43%~62.82%、39.90%~67.91%之间，非毛管孔隙度只占总孔隙度的6.5%，由此可知，该区域土壤主要以大孔隙为主，透水通气性能较差，属耐旱性较差的土壤。综上，余干县的土壤物理特性相对较好，其次是鄱阳、南昌与进贤3个县，而永修县则处于较低水平。

表1 研究区域采样点土壤理化指标

2.1.3 土壤化学特性 由表1可知，土壤pH值变化范围为4.71~5.93，均值为5.18，整体属于酸性土壤。其中官田里村（高）的土壤pH值低于其他采样点的，这可能是由于该地表枯落物较多、腐殖酸积累较迅速致使土壤的pH值较低；北洲郑家的土壤pH值最高。土壤全氮含量介于0.8~2.7 g/kg之间，均值为1.9 g/kg。碱解氮含量介于73.65~243.44 mg/kg之间，均值为159.71 mg/kg。有机质、速效钾和有效磷的平均含量分别为34.22、115.22、14.62 mg/kg，其中余干县采样点土壤中这3项指标的含量均高于其他县的；南昌县采样点土壤中速效钾和有效磷含量均较低，永修县采样点土壤中有机质含量较低。

2.1.4 土壤养分状况 依据全国第二次土壤普查养分分级标准［17］，研究区域内32.0%的土壤养分很肥沃（I级），39.0%的属于肥沃（Ⅱ级），只有17.9%的肥沃程度为一般（Ⅳ级）。

对土壤碱解氮、速效钾和速效磷进行养分分级。各采样点土壤的碱解氮含量整体处于丰富水平（I级），但外闵家及南山东湖家采样点土壤碱解氮较缺乏（Ⅳ级）；53.6%的村庄土壤速效钾较缺乏（Ⅳ级）。速效钾和速效磷养分水平整体处于中等丰富水平（Ⅲ级）。

2.2 土壤质量综合分析

整理分析采样点的多项指标，使用SPSS 22.0软件进行PCA前的相关分析和检验。结果表明，KMO值为0.778，Bartlett球形度检验显著性的值小于0.01，说明土壤评价指标之间具有相关性，进行主成分分析是可行的［18］。

本文采用主成分分析法对水稻田土壤质量进行评价。因特征值大于1的主成分能够解释较多的总变异性，分析时应选择特征值大于1的主成分保留下来［18］。由表2可知，特征值＞1的主成分共计5个，可解释78.973%的总变量。

表2 成分列表及特征值

2.2.1 土壤评价指标的有效性 一般认为，因子负荷量绝对值越大，变量在相应主成分中的权重就越大，其中正负只表征影响效应［18］。各因子的负荷量见表3，土壤第1主成分有多个高权重变量，其中有机质、全氮、速效磷含量等贡献较大；第2主成分起主要作用的是速效钾含量、电导率以及过氧化氢酶活性；第3主成分中细菌总量贡献最大，其次是微生物总量；第4主成分贡献量最大的是pH值；第5主成分贡献量最大的是真菌总量。

表3 主成分负荷量

2.2.2 稻田土壤的质量综合指数 以5个主成分中每个主成分的贡献率占所有提取主成分的贡献率之和的比值为权重，Q为综合指数，F为综合因子得分，将每个采样点的各项指标数据标准化后获得每个采样点的每个评价指标的标准值(Zi)，并对每个指标在不同主成分上的综合得分(Fi)进行计算。经计算，主成分1~主成分5的权重值分别为：0.475、0.189、0.147、0.101和0.088。获得主成分权重值后，采用加权法计算出各采样点的土壤质量综合指数。

由图2可以看出，一半采样点的土壤综合指数＞0，土壤健康处于平均水平之上；另一半的采样点土壤综合指数＜0，土壤健康处于平均水平以下。28个采样点的土壤质量综合指数均值为0，表明土壤质量整体处于平均水平。其中永修县的土壤综合指数均值为-0.36，南昌县的为-0.47，进贤县的为0.18，余干县的为0.35，鄱阳县的为0.26。永修县（易灾区）、南昌县（常灾区）的土壤质量综合指数处于平均水平之下，应着重对该区域的土壤养分进行调控。

图2 研究区域土壤质量综合指数得分

3 讨论与结论

本研究发现pH值在第4主成分上的负荷量为负值，表明pH值的增加可能会导致土壤质量的下降。PCA结果表明，研究区域内的有机质含量是影响土壤质量的重要因素之一。对第1主成分贡献量较大的指标如田间持水量及有机质、速效磷含量等数据进行正态分布检验，后进行Pearson相关性分析，发现田间持水量与有机质含量具有显著的正相关关系，与全氮、速效钾含量呈极显著正相关。有机质含量与土壤养分供给、物理特性及理化过程具有密切关系，主要源于人工施肥和植物凋落物的分解。

PCA结果显示，全氮含量为影响土壤质量的第1主成分，这可能与土壤长期施用了大量的氮肥有关。刘立军等［19］研究表明，土壤背景氮含量较高条件下的水稻产量对氮肥的反应明显降低，氮肥利用率的各个指标均有不同程度的下降。研究区土壤速效磷含量丰富，部分地区达到极丰富水平。当土壤速效磷含量高于20 mg/kg时，即为磷补给充足。但鄱阳县双港镇采样点的土壤速效磷均值高达44 mg/kg，过量的磷会引发一系列的环境风险。因而土壤磷含量较高的地区，建议少施或不施磷肥，以减少磷肥浪费和避免环境污染。

李平等［20］研究表明，土壤中速效钾易被植物直接吸收利用，其含量高低可直接反映土壤供钾能力强弱，速效钾含量不足是红壤区水稻生产的主要限制因子。研究区土壤速效钾含量一半处于较缺乏的水平，这些地区需补充钾素，否则可能会影响当地水稻产量［21］。研究区域内有机质含量与速效钾含量有显著的相关关系，速效钾与速效磷具有极显著的相关性关系。在PCA分析中，速效钾含量在第2主成分中起主要作用，说明速效钾含量是影响研究区域内稻田土壤质量的重要因素。

综上所述，鄱阳湖平原洪涝灾害区的稻田土壤多为壤土和黏壤土，近一半土壤为红壤土；研究区域内土壤均属酸性，碱解氮含量丰富，一半以上的土壤缺乏速效钾，但速效钾和有效磷养分水平整体处于中等丰富；土壤质量整体处于平均水平，进贤、鄱阳及余干县的土壤质量优于南昌县和永修县。因此在施肥过程中，要适当减少磷肥的施用，并采取相应改良措施防止土壤继续酸化或碱化。